“嵌入式系統及應用”課程教學改革探索與應用

摘要：“嵌入式系統”是一門綜合性非常強的課程，結合南京郵電大學電氣信息類專業“嵌入式系統及應用”的課程設置，以“強化基礎、重視實踐、培養能力、突出創新”為指導思想，從學生的個性化教育出發，構建了從單片機到ARM、從基礎到綜合、從理論到實踐的一體化、模塊化嵌入式系統及應用教學體系，探索了多樣化的嵌入式系統教學方法和手段，強化了對學生綜合應用能力的培養。

關鍵詞：嵌入式系統及應用；啟發式教學；個性化教育

作者簡介：張騰飛（1980-），男，河南商丘人，南京郵電大學自動化學院，副教授；顧亦然（1973-），女，江蘇金壇人，南京郵電大學自動化學院，副教授。（江蘇 南京 210046）

基金項目：本文系南京郵電大學教學改革研究項目（項目編號：JG00510JX15）、南京郵電大學實驗室建設與設備管理研究課題重點項目（項目編號：2011XSG03）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）28-0053-02

一、“嵌入式系統”概述

隨著嵌入式系統的廣泛普及，近年來，我國嵌入式系統的市場需求快速增長，嵌入式領域中對具有能夠適應社會需求的創新型設計人才的需求日益旺盛，人才缺口問題日益突出。目前，各高校相繼開設了嵌入式系統相關課程，但由于嵌入式系統基礎知識較多、涉及內容較為廣泛、知識更新較快、課時偏少尤其是實踐環節不足等原因，使得高等學校對嵌入式人才的培養遠遠跟不上嵌入式系統方向新形勢的要求。

另外，當前市場上嵌入式相關教材種類繁多、參差不齊，從內容分布和難度上很難尋找到一本非常適合的教材，一般是選擇一本教參，再結合實際添加部分相關內容向學生講授，因此在授課內容上各個學校各不相同。由于嵌入式系統的知識綜合性較強，應該根據學生所在的專業綜合考慮，選擇相應的嵌入式系統教學內容及教學方法，也就是需要綜合考慮培養學生應具備怎樣的能力。但目前的教學往往忽視了學生的專業基礎，導致學生很難系統地掌握嵌入式系統軟硬件協同開發的實際技術。并且許多學校在嵌入式教學上用一些傳統的教學方法進行講授，學生接受起來比較困難，沒有達到理想的教學效果。作為電氣信息類專業的“嵌入式系統”課程教學，如何合理選擇嵌入式系統的課程教學內容、采取更為有效的教學方式與方法，培養真正掌握嵌入式系統設計與開發技能、符合社會需求的嵌入式人才成為當前非常重要的研究課題。

根據“嵌入式系統及應用”課程特點以及南京郵電大學（以下簡稱“我校”）電氣信息類專業的實際應用能力和創新能力培養目標，在“嵌入式系統及應用”課程的教學體系建設、課程教學內容和教學方式、方法、培養學生的實踐動手能力、專業技能以及培養學生的創新意識等方面，遵循由淺入深、由易到難、由基礎到綜合的原則，進行了一系列改革與探索，對提高該課程的教育教學質量起到了很好的推動作用。

二、教學改革思路

結合我校電氣信息類專業的課程建設以及相關特色專業建設目標，對“嵌入式系統及應用”課程的內容教學體系、教學方式與方法等進行了立項改革。以特色鮮明的機器人主題實驗室、省級實驗教學示范中心、中央與地方共建實驗室、校企共建實驗室等為載體，提出了“以學生發展為根本、以知識建構為基礎、以學術研究為引領、以實踐創新為手段、以校企合作為延展、以服務社會為宗旨”的教育理念與方法，將創新人才培養與服務社會相結合，創立了理論學習、工程實踐、創新競賽等環節相結合的嵌入式創新人才培養模式。改革的思路是以提高學生的嵌入式系統實際應用開發技能，培養符合社會需求的開拓型嵌入式應用創新人才為主線，根據嵌入式系統及應用課程在電氣信息類專業課程建設中的地位、作用和任務，并考慮嵌入式系統及應用與其他相關課程、尤其是單片機與ARM課程內容之間的聯系，通過結合嵌入式實踐教學環節、學生的科技創新活動，對嵌入式系統的教學內容進行篩選，注重完善的課程教學體系，研究嵌入式系統及應用課程的教學內容、教學方式與方法，使學生能夠通過系統的訓練，熟練掌握嵌入式系統的設計與開發技能，培養學生學會運用所學知識分析問題、解決問題的能力。

三、嵌入式系統及應用課程教學內容體系建設

根據我校人才培養的目標與定位，按照個性化教育與開拓創新型人才培養的要求，將嵌入式課堂理論教學、課內基礎實驗、課外綜合性實驗與嵌入式系統相關課程設計、本科畢業設計及課外科技創新實踐活動等環節相結合，構建了完善的嵌入式系統及應用課程內容教學體系，如圖1所示。

1.精心組織課堂教學、強化學生理論基礎

由于嵌入式系統的知識綜合性較強，對軟件和硬件的基礎要求較高，并且與多學科相互滲透融合，在嵌入式系統的課堂教學中要綜合考慮學生的專業基礎。

根據“嵌入式系統”課程在我校電氣信息類專業課程體系建設中的地位、作用和任務，結合嵌入式系統課程的教學目標，通過知識講座、科協活動、學科競賽等各種途徑讓低年級學生了解整個學科課程之間的聯系，如“嵌入式系統”的先修課程包括硬件相關課程如“電路基礎”、“模擬電子技術”、“數字電子技術”、“計算機組成原理”等，軟件相關課程如“匯編語言”、“高級語言程序設計”、“數據結構”、“操作系統原理”等，專業主干課程如“自動控制原理”、“電力電子技術”、“計算機控制技術”、“電氣測量技術”、“電力拖動自動控制系統”等。這些課程的深入學習，為他們高年級時學習嵌入式系統及應用課程打下堅實的基礎。

在“嵌入式系統”的課堂教學中，放棄了傳統的將單片機與ARM分開單獨授課的教學方式，而是綜合考慮了單片機與ARM這兩種嵌入式微處理器的相互聯系，貫穿在嵌入式系統的設計應用開發這條主線中進行講授。單片機資源較少，原理清晰，便于學生理解和掌握，因此，以單片機的定時/計數器、中斷系統、串行口等模塊深入講解其基本原理及接口的擴展技術；而ARM芯片資源豐富，則重點強調其體系結構以及實用的設計開發技術，并結合實例項目進行講解，遵循由淺入深、由易到難、由基礎到綜合的原則，注重引導學生，強化學生的理論基礎。

2.結合課內實驗教學，注重實踐能力

“嵌入式系統及應用”是一門實踐性相當強的課程，在“嵌入式系統”課程的教學改革中構建了循序漸進的嵌入式實踐教學體系，探索了多樣化的嵌入式實踐教學方法。

如在基礎驗證型實驗中，要求學生深入理解并熟練掌握以下實驗項目：MDK開發環境實驗、C語言與匯編語言編程實驗、鍵盤輸入與I/O實驗、中斷及其應用實驗、定時器/計數器實驗和串口通信實驗。

在綜合性實驗中設計了以下實驗項目：主從式多機通信實驗、存儲器擴展與接口實驗、電子時鐘設計、電子相冊設計、數據采集系統設計和嵌入式相關課程設計。

通過基礎驗證型實驗，學生能夠系統、扎實地掌握嵌入式系統的基本原理，對“嵌入式系統”課程有一個深刻的理解和認識。在對基本原理驗證的基礎上，增加綜合性、設計性實驗項目，可以使學生完成由淺入深、由簡單到綜合、由驗證到設計開發的嵌入式系統學習過程。

3.依托嵌入式創新實驗室以及開放實驗項目，培養學生獨立完成嵌入式系統設計開發的能力

充分發揮實驗室的資源優勢，為更多學生提供自主發展和實踐鍛煉的空間，依托我校實驗室建設與設備管理研究課題，成立了嵌入式系統創新實驗室，并制定了相應的開放運行管理機制。鼓勵學生申報嵌入式系統相關開放實驗項目，要求學生以課題小組為單位在一個學期內協作完成一個完整的實際嵌入式課題開發，近兩年學生申報完成的典型課題如，“嵌入式設備多電源自動切換及管理電路設計與實現”、“基于單片機的小型可編程邏輯控制器設計與實現”、“小型電子幕墻LED顯示屏的設計與實現”、“電池組剩余電量實時監測系統設計與實現”、“嵌入式Cortex M3最小系統板設計與實現”、“基于單片機的熱敏打印機控制電路設計與實現”等。通過獨立查閱資料、設計方案、硬件設計、軟件編程及調試，學生系統地掌握了嵌入式系統的軟、硬件協同設計方法。

4.鼓勵學生參與科技創新，培養學生創新意識

為提高大學生創新意識，我校把強化學生實踐創新能力培養作為人才培養的重要目標，并設立了大學生科技創新訓練計劃（STITP）。通過組織不同層次、不同檔次的嵌入式系統設計競賽（如機器人競賽、飛思卡爾智能車競賽、全國電子設計競賽等），充分發揮學生的主觀能動性，培養學生的自主學習、科技創新和知識綜合應用的能力。近兩年完成的江蘇省省級STITP課題以及校級重點課題如下：

無線遙控電子幕墻LED顯示屏控制系統的設計與實現；人體生理參數的遠程監測系統；基于無線傳感網絡的智能家電遠程控制；智能車系統平臺及相關技術研究；高精度溫度控制裝置；室內超聲波防盜系統；手持GPS系統設計。

另外，以老師的實際科研項目為依托，或針對電氣類專業部分學生的畢業設計，讓學生參與完成一些子功能模塊的設計、開發與調試過程，已完成的典型課題如，“電力保護測控系統的自動測試設計”、“電力通訊規約的模塊化設計及應用”、“變電站視頻監控系統控制軟件設計”、“基于DSP的USB2.0通訊模塊的設計”、“基于高速單片機MCF5274的IEC61850規約轉換器”等。一些與學生實踐創新及實際工作能力相關、受益面大的系統設計課題，使學生受到了功能相對完整的嵌入式系統實際工程項目的開發與調試過程訓練。

四、倡導個性化教育，教學方法、手段多樣化

在嵌入式實踐教學過程中，以學生為本，樹立了知識、能力、素質全面協調發展的教育理念和以能力培養為核心的教學觀念，從學生的個性化教育出發，構建了以學生為主體、師生互動的多樣教學方式。

1.激發學生興趣愛好、合理選擇教學內容

“嵌入式系統”是一門綜合性非常強的課程，而現有的教材各有偏重、參差不齊，需要根據需要合理取舍。為了激發學生的興趣愛好，在課堂教學改革中放棄了采用固定教材進行講授的傳統做法，而是將許多具有一定趣味性又貼近學生生活的工程應用實例引入教學內容，在借鑒現有教材的基礎上，編寫了更能引起學生興趣又符合教學規律的課程講義，另外，以嵌入式系統創新實驗建設為平臺，以學生的創新項目以及老師的科研項目為載體，不斷將最新的成果轉化為課堂理論教學及實踐教學案例。

2.倡導個性化教育、教學方法多樣化

嵌入式技術內容多、學時少，學習難度大。在學習嵌入式系統之前需要具備一定的軟硬件基礎，一般是在本科生的高年級階段開設嵌入式的相關課程。此時，學生一般已具備模電、數電、微機原理、C語言編程、自動控制原理等基礎知識，但學生的基礎往往參差不齊，有些學生已經通過自學或創新競賽完成了嵌入式系統相關項目的部分訓練，而有些基礎薄弱的學生即使到課程結束仍然沒有很好地掌握嵌入式系統的設計方法，因此需要根據學生的基礎情況和興趣愛好，按不同側重點安排教學內容和實驗內容。

從學生的個性化教育出發并根據大部分同學的基礎情況，在課堂教學過程中重點介紹嵌入式系統的構成、基本原理和實際的軟硬件協同開發方式，尤其是開發環境的建立和協同開發過程中相關工具軟件的使用，對于目前理解困難的知識點，僅用簡單的例子加以說明，更深入的內容不再講解，只需讓學生明白當前的內容在整個嵌入式技術中所處的位置以及在未來的嵌入式系統開發中如何來進一步獲取這些知識；對于基礎較好且已完成嵌入式系統相關項目訓練的學生，可以跳過一些簡單的基礎驗證實驗，結合工程實際和學生的興趣愛好，以項目驅動的綜合訓練課題來取代，首先由學生根據所選題目查閱資料，提交項目方案，師生共同討論進行修訂；在此基礎上，讓學生從材料收集、儀器準備到分析測試等進行系統地訓練，強化他們對嵌入式系統軟硬件協同開發的理解。

3.改革考核方式、注重實踐能力

“嵌入式系統”是一門實踐性相當強的課程，在嵌入式系統的學習過程中，實踐環節具有非常重要的作用，因此，要逐步加強對學生實踐能力的考核。通過改革，改變了實踐教學依附于理論教學的傳統觀點，形成了理論教學與實踐教學統籌協調的先進理念和氛圍，使實踐教學成為整個嵌入式課程教學的重要組成部分。

為激發學生對嵌入式系統的自主化學習興趣、鼓勵嵌入式技術興趣濃厚的學生在實踐中有所創新，從學生的個性化教育出發，成立了嵌入式系統創新實驗室以及機器人創新基地。目前，創新實驗室進行了全方位開放，對學生開放實驗項目，學校及學院給予相應的經費資助以及相應的自主化學分，并對嵌入式實踐訓練環節獨立考核，對實驗成績進行登記。為了能夠更好地檢驗“嵌入式系統及應用”課程教學的質量與效果，逐步建立了新型的嵌入式系統課程考試與考核模式，在期末綜合成績評定中，采取總評=平時成績×10％+實驗成績×20％+實踐訓練×20％+期末成績×50％的考核方法。這種考核方式一定程度上避免了單一卷面考試帶來的弊端，能夠相對合理公正地評估學生的學習成果，激發了學生對于嵌入式系統課程學習的自主性。

五、結束語

從學生的個性化教育出發，結合嵌入式系統及應用課程的教學目標，針對“嵌入式系統及應用”課程的教學內容、教學方式與方法進行了改革探索，構建了較為完善的嵌入式系統課程內容教學體系，結合嵌入式系統創新實驗室的建設平臺以及開放管理課題，經過不斷實踐，取得了較為明顯的效果。

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（責任編輯：宋秀麗）